Рис. 55. Структурная схема цифрового моста постоянного тока

дешифратор будет выдан двоичный код 101000 (табл. 8), а устройство инди­ кации зафиксирует значение Ux = 40 В.

На рис. 55 показана схема моста постоянного тока кодоимпульс­ ного квантования. Устройство управления СО по заданной програм­ ме и в соответствии с сигналами сравнивающего устройства включает весовые резисторы R Kи уравновешивает мост. При этом регистр RG фиксирует соответствующий код. Устройство управления также авто­ матически регулирует предел измерения моста (резистором R B) и в зависимости от предела измерения (значения измеряемого резисто­ ра R x) меняет положение запятой и знак единицы измерения (Ом, кОм, МОм) на отсчетном устройстве, состоящем из дешифратора DC и устройства индикации.

Приборы с кодоимпульсным квантованием обеспечивают высо­ кую точность измерения (погрешность ± 0,001 %) и высокое быст­ родействие (несколько десятков измерений в 1 с). Основной недоста­ ток приборов — низкая помехозащищенность, что приводит к необ­ ходимости использования фильтров на входе приборов, снижающих их быстродействие.

Глава 5

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

5.1. ВОЛЬТМЕТРЫ, АМПЕРМЕТРЫ И ОММЕТРЫ

Аналоговые электронные измерительные приборы широко ис­ пользуются для измерения напряжения, силы тока, сопротивления, мощности, индуктивности, емкости, частоты и др. Они сочетают в себе электронные преобразователи измеряемой величины в постоян­ ное напряжение (силу тока) и магнитоэлектрический прибор или электронно-лучевые трубки и отличаются высокой чувствительно­ стью (цена деления до 0,1 нВ), широким частотным диапазоном (от

где Е — ЭДС вспомогательного источника G постоянного напря­ жения.

Таким образом, измеряемое вольтметром ЭВ напряжение 11вых пропорционально сопротивлению резистора Rx. Эта схема применя­ ется для измерения сопротивлений 10 1000 МОм.

5.2.ЧАСТОТОМЕРЫ И ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Вчастотомерах используется принцип заряда и разряда кон­ денсатора в сочетании с выходным аналоговым прибором, ко­ торый предназначен для измерения среднего значения силы тока, протекающего через конденсатор при его периодическом перезаряде

всоответствии с измеряемой частотой.

Упрощенная схема конденсаторного частотомера приведена на рис. 58. Реле KV через ключ подключает конденсатор С в тече­ ние одного пол упериода к источнику Gобразцового напряжения U0, а в течение другого — через резистор RN к прибору РА. Если по­ стоянные времени заряда ta — R0C и разряда /1)а3 = RNC значи­ тельно меньше полупериода Т х/2, то конденсатор будет успевать за­ рядиться до напряжения U0 и полностью разрядиться. Среднее зна­ чение силы тока, протекающего через миллиамперметр

г*

/ 0р = (:I IT,) J tfm (t) dt = (C U 0I T x)= Ctf„ /,,

0

где t раз (t) — сила разрядного тока конденсатора.

Конденсаторные частотомеры имеют широкий частотный диапазон измерений (от 10 Гц до 1 МГц) при приведенной погрешности 1,5 ... 2 %.

Для исследований поведения сигналов во времени используются электронные осциллографы, которые дают возможность непосред­ ственно наблюдать и (или) записывать форму периодических и непе­ риодических сигналов. Благодаря тому, что подвижная часть в ос­ циллографах создается электронным лучом, они практически безы­ нерционны и применяются для измерения электрических величин частотой до сотен мегагерц или непериодических процессов длитель­ ностью до долей микросекунд. К другим достоинствам осциллогра­ фов относятся: большое входное сопротивление и высокая чувстви­ тельность. К недостаткам относятся: невысокая точность измерения (основная погрешность достигает ±10 %), конструктивная и элект­ рическая сложность, высокая стоимость. Кроме того, осциллограф по сравнению с другими измерительными приборами сложнее в экс­ плуатации и требует определенной квалификации обслуживающего персонала при работе с ним.

Упрощенная схема осциллографа показана на рис. 59, а более подробная схема — на рис. 60.

Принцип работы осциллографа рассмотрим по схеме, приведен­ ной на рис. 60.

ЭЛТ 8 служит для преобразования исследуемого напряжения в видимое изображение — осциллограмму. В качестве источника электронной эмиссии в ЭЛТ используются как холодные, так и по­ догревные катоды (последние получили более широкое распростра­ нение). Для формирования электронного луча и управления его перемещением используют обычно электрическое поле (ЭЛТ с элект­ ростатическим управлением). ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу, в которой создан вакуум. В начале горловины помещено устройство для создания фокусированного пучка электронов, назы­ ваемое электронной пушкой. Электронная пушка состоит из подо­ гревного катода I и 2, управляющего электрода (сетки) 3, первого 4 и второго 5 анодов, а также двух пар отклоняющих пластин 6 и 7; экран 9 изнутри покрыт люминофором, обладающим способностью светиться под действием ударяющихся о него электронов. Измене­ ние потенциала управляющего электрода дает возможность регули­ ровать плотность электронов в пучке *и тем самым менять яркость изображения на экране и осуществлять предварительную фокуси­ ровку пучка. Электрод 3 имеет отрицательный потенциал по отноше­ нию к катоду от 15 до 150 В, поэтому электроны прижимаются к оси пучка. Плотность пучка электронов регулируют резистором R1. Окончательная фокусировка электронного пучка осуществляется фо­ кусирующим анодом 4 путем изменения напряжения на нем при по­ мощи резистора R2, а необходимое ускорение электронов в посту­ пательном направлении обеспечивается ускоряющим анодом 5.

Две пары отклоняющих пластин при подведении к ним напряже­ ния позволяют перемещать луч, а следовательно, и светящееся пятно на экране. Пластины 6 отклоняют луч в вертикальной плоскости, пластины 7 — в горизонтальной плоскости. Если к какой-либо паре пластин приложить переменное напряжение, то луч прочертит на экране светящуюся прямую линию. Смещение (в мм/В) светящегося пятна на экране при изменении напряжения на 1В, приложенного к отклоняющим пластинам, называется чувствительностью трубки:

5 = h/U или 5 = lLnn/(a2Ua),

где h — отклонение луча от оси трубки; U — напряжение между пластинами; / — длина пластины; а — расстояние между пласти­ нами; L n„—расстояние от пластины до экрана; (/а — напряжение на ускоряющем аноде.

Чувствительность осциллографа 0, 1... .1 мм/В. Оба анода имеют положительные потенциалы относительно катода, первый из них — меньший (0,5 ... 4 кВ), второй — больший (6 10 кВ) 15,6].

Если переменное напряжение приложить одновременно к обеим парам отклоняющих пластин, то электронный луч под действием двух взаимно перпендикулярных электрических полей будет прочер­ чивать на экране некоторую сложную кривую, форма которой зави­

сит от формы кривых, сдвига фаз, соотношения амплитуд и частот напряжений, приложенных к пластинам. При отношении частот, выражающемся рациональным числом, результирующая кривая замкнута и представляется на экране в виде неподвижного изобра­ жения. Для двух синусоидальных напряжений, имеющих одина­ ковую амплитуду и определенные отношения частот и сдвиг фаз, на экране получаются кривые, именуемые фигурами Лиссажу (табл.9). По виду фигуры Лиссажу можно судить о частоте или сдвиге фазы неизвестного (измеряемого) напряжения.

Питание всех элементов схемы осциллографа осуществляется от сети переменного тока через блок питания. Напряжение на пласти­ ны 6 (рис. 60) вертикального отклонения (пластины У) подается через реостатно-емкостный делитель напряжения и усилитель вер­ тикального отклонения 11. Благодаря делителю напряжения можно выбирать условия для наблюдения сигналов на ЭЛТ при изменении амплитуды их в широких пределах. К пластинам 7 через усилитель 10 горизонтального отклонения подводится напряжение развертки от генератора линейно изменяющегося напряжения GM. При необхо­ димости проведения исследований на основании фигур Лиссажу пе­ реключатель SA переводят в положение б, при этом генератор раз­ вертки и блок синхронизации Gui отключается и на пластины 7 че­ рез усилитель 10 подается синусоидальное напряжение.

Усилитель И служит для регулировки входного (измеряемого) напряжения до уровня, необходимого для отклонения электронного луча по вертикальной оси экрана, и предназначен для усиления на­ пряжения, поступающего от генератора развертки.

и\

Рис. 61. Кривые изменения напряжения:

а — исследуемого; б —- развертки

Для наблюдения на экране ЭЛТ формы электрического напряже­ ния применяют развертывание его во времени, выполняемое при по­ мощи генератора развертки. Неподвижность изображения достига­ ется синхронизацией частот генератора развертки и источника ис­ следуемого сигнала (внутренняя синхронизация) или источника по­ стороннего сигнала (внешняя синхронизация), осуществляемой бло­ ком синхронизации.

Генератор развертки является одним из важнейших узлов схемы. При подаче на пластины горизонтального отклонения (пластины X) линейно изменяющегося пилообразного напряжения £/г.р (рис. 61) от генератора развертки и отсутствии исследуемого напряжения V на пластинах У светящееся пятно будет перемещаться по экрану горизонтально с постоянной скоростью. За время /прям пятно пере­ местится с точки 1 на точку 2. Ниспадающие участки кривой напря­ жения UV р соответствуют обратному коду пятна в горизонтальном направлении по экрану. Время обратного хода /оСР должно состав­ лять весьма малую часть полного периода колебаний Т При несоб­ людении этого условия более или менее значительная часть исследу­ емого явления происходит за время обратного хода, причем элект­ ронный луч прочерчивает на экране некоторую кривую, смещенную относительно основной кривой, и изображение получается искажен­ ным. При условии /обр = 0 пятно переместится за время Т из точки 1 в точку 3 без искажения изображения. В современных ЭО приме­ няют схемы гашения обратного хода луча, которые обеспечивают включение луча только в течение рабочей части периода /,,Рям ли­ нейно изменяющегося напряжения. Это делается для того, чтобы об­ ратный ход пятна по экрану не накладывался на изображение наб­ людаемого явления. Если подать напряжение U (рис. 61, а) на пла­ стины У, то электронный луч под влиянием этого напряжения будет отклоняться по экрану в вертикальном направлении на величину, пропорциональную мгновенному значению исследуемого напряже­ ния и1л и2, ..., Ui. Следовательно, электронный луч в течение периода Т вычертит на экране кривую исследуемой величины.

Идущей разверткой пользуются для изучения однократных им­ пульсных явлений, которые неудобно наблюдать при помощи не­ прерывной развертки. Эта развертка представляет собой разновид-

ность непрерывной развертки, при которой напряжение на пластины оси времени подается только при наличии исследуемого сигнала. Схема построена таким образом, что при отсутствии пускового им­ пульса электронный луч заперт отрицательным напряжением. В мо­ мент передачи импульса луч отпирается, пятно появляется на экра­ не и начинает перемещаться под действием напряжений сигнала и ли­ нейной развертки. В момент окончания развертки, когда начинает­ ся возвратное движение луча, напряжение на сетке трубки скачком возвращается к исходному значению, луч запирается и светящееся пятно исчезает с экрана вплоть до поступления нового пускового импульса. Продолжительность пускового импульса должна быть меньше одного периода развертки.

Основным элементом генератора развертки является конденсатор развертки, заряд и разряд которого осуществляются через два раз­ личных по сопротивлению резистора. Скорость развертки зависит от силы зарядного (или разрядного) тока и емкости конденсатора.

Синхронизация осциллограммы (ее неподвижное изображение на экране) достигается регулировкой кратности частоты генератора развертки частоте исследуемого сигнала, т. е. для получения устой­ чивой осциллограммы необходимо выполнить условие

где Tr v и Ги.с (fr-p и /и,с) — периоды (частоты) напряжения генера­ тора развертки и исследуемого сигнала; п = 1, 2, 3

Для получения целого числа п необходимо синхронизировать ге­ нератор развертки, частота которого, как правило, нестабильна.

Пример 15. Поясним процесс синхронизации частоты генератора разверт­ ки сигналом синусоидальной формы (рис. 62).

С момента подачи измеряемого напряжения сигнала (/и.с на вход осцилло­ графа до момента времени ti - x периоды (частоты) сигналов UH.с и развертки

на синусоиду первого периода, и на экране получится неподвижное изобра­

возросла (7'г.рз=0,6 Т и.с з). До момента времени tt расположение осцилло­ граммы в пространстве не изменится. С момента времени развертка сигнала {/и.с начинается при его значении, равном — Uи.с3. Следовательно, на экране появится вторая синусоида исследуемого сигнала, смещенная относительно первой на величину — V и.сз в момент начала развертки. В конечном итоге нестабильность (несинхронность) частоты генератора развертки приводит к тому, что на экране осциллографа наблюдается как бы перемещающееся изоб­ ражение исследуемой кривой (в действительности же на экране вычерчивает­ ся столько кривых, сколько раз изменяется частота генератора; наблюдатель видит на экране подвижную осциллограмму, что объясняется низкой чувст­ вительностью глаза).